基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)論文

1、1 / 16課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)報(bào)告基于 STC12C5A60S2 單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 系 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 班 級(jí) 1姓 名任杰 學(xué)號(hào)：11084210352 / 16摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，音樂(lè)逐漸成為我們生活中很重要的一部分，有人曾說(shuō)喜歡音樂(lè)的人不會(huì)向惡。我們都會(huì)抽空欣賞世界名曲，作為對(duì)精神的洗禮。本論文設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易電子琴。電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂(lè)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤(pán)樂(lè)器。它在現(xiàn)代音樂(lè)扮演著重要的角色，單片機(jī)具有強(qiáng)大的控制功能和靈活的編程實(shí)現(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本文的主要容是用 AT89S52

2、單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一個(gè)電子琴。本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)是硬件電路簡(jiǎn)單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價(jià)比較高等，具有一定的實(shí)用和參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 電子琴 AT89S523 / 16目目 錄錄摘 要 I目 錄 II1 引言 11.1 研究背景與意義 12 硬件設(shè)計(jì) 12.1 系統(tǒng)硬件與其說(shuō)明 13 軟件設(shè)計(jì) 24 系統(tǒng)調(diào)試 105 總結(jié) 10參考文獻(xiàn) 104 / 161.1 課題研究背景與意義 電子琴是高科技在音樂(lè)領(lǐng)域的一個(gè)代表，它是古典文化與現(xiàn)代文明的一個(gè)濃縮體。它不但可以幫助我們的音樂(lè)教師進(jìn)行傳統(tǒng)音樂(lè)文化的教育教學(xué)工作，而且由于它又具備現(xiàn)代音樂(lè)，特別是電子音樂(lè)、電腦音樂(lè)的基本

3、結(jié)構(gòu)、特征，因而使我們的教師在進(jìn)行現(xiàn)代音樂(lè)、電子音樂(lè)、電腦音樂(lè)的教學(xué)時(shí)，更直接、更簡(jiǎn)便。 課題研究背景 單片微型計(jì)算機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬第四代電子計(jì)算機(jī)，它具有高性能、高速度、體積小、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。它的應(yīng)用必定導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制技術(shù)從根本上發(fā)生變革。因此，單片機(jī)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已成為高科技和工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大課題。 電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂(lè)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤(pán)樂(lè)器。它在現(xiàn)代音樂(lè)扮演著重要的角色，單片機(jī)具有強(qiáng)大的控制功能和靈活的編程實(shí)現(xiàn)特性，它已經(jīng)融入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本文的主要容是用 AT89S51 單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一個(gè)電子

4、琴。以單片機(jī)作為主控核心，與鍵盤(pán)、揚(yáng)聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設(shè)有 16 個(gè)按鍵和揚(yáng)聲器。 課題研究意義 本文主要對(duì)使用單片機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易電子琴進(jìn)行了分析，并介紹了基于單片機(jī)的電子琴硬件組成。利用單片機(jī)產(chǎn)生不同頻率來(lái)獲得我們要求的音階，最終可隨意彈奏想要表達(dá)的音樂(lè)。并且本文分別從原理圖，主要芯片，各模塊原理與各模塊的程序的調(diào)試來(lái)詳細(xì)闡述。本系統(tǒng)是簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì)，按下鍵盤(pán)矩陣中的按鍵會(huì)使數(shù)碼管顯示當(dāng)前按鍵，揚(yáng)聲器播放器對(duì)應(yīng)的音符。通過(guò)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)可了解單片機(jī)的基本功能。對(duì)單片機(jī)的了解有一個(gè)小的飛躍。5 / 162 硬件設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與說(shuō)明系統(tǒng)組成與總體框圖硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根

5、據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在選擇的機(jī)型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。該設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)一種由單片機(jī)控制的電子琴，單片機(jī)工作于 12MHZ 時(shí)鐘頻率，使用其定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0，工作模式為 1，改變計(jì)數(shù)值 TH0 和 TL0可以產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號(hào)。該設(shè)計(jì)具有 11 個(gè)音節(jié)的鍵盤(pán)，用戶可以根據(jù)樂(lè)譜在鍵盤(pán)上進(jìn)行演奏，音樂(lè)發(fā)生器會(huì)根據(jù)用戶的彈奏，通過(guò)揚(yáng)聲器將音樂(lè)播放出來(lái)。由于本例實(shí)現(xiàn)的音樂(lè)發(fā)生器是由用戶通過(guò)鍵盤(pán)輸入彈奏樂(lè)曲的，所以節(jié)拍由用戶掌握，不由程序控制。用單片機(jī)產(chǎn)生的音頻脈沖直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器并不能產(chǎn)生所要實(shí)現(xiàn)的音樂(lè)，因?yàn)樗鼪](méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，這就需要音頻功率放大電路

6、。本例使用國(guó)家半導(dǎo)體公司的低壓音頻功率放大器 LM386 來(lái)實(shí)現(xiàn)音頻功放電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖鍵盤(pán)掃描AT89S52LED 燈光顯示揚(yáng)聲器播放音樂(lè)電源部分6 / 16顯示電路本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的顯示電路采用 LED 數(shù)碼管顯示，由于 LED 是屬于電流控制器件，使用時(shí)必須加限流電阻。通過(guò)單片機(jī)查表得出數(shù)碼管顯示編碼，傳送給數(shù)碼管顯示，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵與顯示程序的一致性。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)音樂(lè)相關(guān)知識(shí)樂(lè)音聽(tīng)起來(lái)有的高，有的低，這就叫音高，音高是由發(fā)音物體振動(dòng)頻率的高低決定的，頻率高聲音就高，頻率低，聲音就低，不同音調(diào)的樂(lè)音是用 C、D、E、F、G、A、B 表示的，這 7 個(gè)字母就是樂(lè)音的音名，它們一般依次唱成

7、DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI，這是唱曲時(shí)樂(lè)音的發(fā)音，所以叫唱名。音持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短即時(shí)值，一般用拍數(shù)表示，休止符表示暫停發(fā)音。一首音樂(lè)是由許多不同的音符組成的，而每個(gè)音符對(duì)應(yīng)著不同的頻率，這樣就可以利用不同頻率的組合，加以與拍數(shù)對(duì)應(yīng)的延時(shí)，構(gòu)成音樂(lè)。如何用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)音樂(lè)的節(jié)拍除了音符以外，節(jié)拍也是音樂(lè)的關(guān)鍵組成部分。節(jié)拍實(shí)際上就是音持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，在單片機(jī)系統(tǒng)中可以用延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果 1/4 拍的延時(shí)是 0.4 秒，則 1 拍的延時(shí)是 1.6 秒，只要知道1/4 拍的延時(shí)時(shí)間，其余的節(jié)拍延時(shí)時(shí)間就是它的陪數(shù)。如果單片機(jī)要自己播放音樂(lè)，那么必須在程序設(shè)計(jì)中考慮到節(jié)拍的設(shè)置，由于本例實(shí)現(xiàn)

8、的音樂(lè)發(fā)生器是由用戶通過(guò)鍵盤(pán)輸入彈奏樂(lè)曲的，所以節(jié)拍由用戶掌握，不由程序控制。對(duì)于不同的曲調(diào)我們也可以用單片機(jī)的另外一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器來(lái)完成。音樂(lè)的音拍，一個(gè)節(jié)拍為單位（C 調(diào)）具體如下表：表 2-1 音樂(lè)節(jié)拍表曲調(diào)值DELAY曲調(diào)值DELAY調(diào) 4/4125ms調(diào) 4/462ms調(diào) 3/4187ms調(diào) 3/494ms調(diào) 2/4250ms調(diào) 2/4125ms如何用單片機(jī)產(chǎn)生音頻脈沖了解音樂(lè)的一些基本知識(shí)后可知，產(chǎn)生不同頻率的音頻脈沖即能產(chǎn)生音樂(lè)，對(duì)于單片機(jī)而言，產(chǎn)生不同頻率有脈沖非常方便，可以利用它7 / 16的定時(shí)/計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生這樣的方波頻率信號(hào)，因此，需要弄清楚音樂(lè)中的音符和對(duì)應(yīng)的頻率，以與

9、單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)的關(guān)系。在本實(shí)驗(yàn)中，單片機(jī)工作于 12MHZ 時(shí)鐘頻率，使用其定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0，工作模式為 1，改變計(jì)數(shù)值 TH0 和 TL0 可以產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號(hào)，在此情況下，C 調(diào)的各音符頻率與計(jì)數(shù)值 T 的對(duì)照如下表：表 2-2 音符頻率與計(jì)數(shù)值 T 的對(duì)照表音符頻率（HZ）計(jì)數(shù)值（T值）音符頻率（HZ）計(jì)數(shù)值（T 值）低 1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763737中 5SO78464898低 2RE29463835#5SO#83194934#2RE#31163928中 6LA88064968低 3MI33064021#6LA#93264994低 4F

10、A34964103中 7SI96865030#4FA#37064185低 1DO104665058低 SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331高 2RE117565110低 6LA44064400#2RE#124565134#6LA#46664463高 3MI131865157低 7SI49464524高 4FA139765178中 1DO52364580#4FA#149065198#1DO#55464633高 5SO156865217中 2RE58764633#5SO#166165235#2RE#62264884高 6LA176065252中 3MI6596

11、4732#6LA#186565268中 4FA69864820高 7SI196765283T 的值決定了 TH0 和 TL0 的值，其關(guān)系為：TH0=T/256，TL0=T%256系統(tǒng)總體功能流程圖8 / 16N定時(shí)器初始化數(shù)碼管顯示 0主程序開(kāi)始循環(huán)檢測(cè)按鍵Y數(shù)碼管顯示揚(yáng)聲器出聲 圖 2-1 主程序框圖 9 / 16按鍵子程序流程圖如下：K1 鍵按下K2 鍵按下K3 鍵按下K4 鍵按下K5 鍵按下K6 鍵按下K7 鍵按下數(shù)碼管顯示 3.，并播放 mi 的低音數(shù)碼管顯示 4.，并播放 fa 的低音數(shù)碼管顯示 5.，并播放 so 的低音K8 鍵按下數(shù)碼管顯示 6.，并播放 la 的低音數(shù)碼管顯示

12、 7.，并播放 si 的低音數(shù)碼管顯示 1，并播放 do 的中音數(shù)碼管顯示 2，并播放 re 的中音數(shù)碼管顯示 3，并播放 mi 的高階中音10 / 16K9 鍵按下K10 鍵按下K11 鍵按下K12 鍵按下K13 鍵按下K14 鍵按下K15 鍵按下數(shù)碼管顯示 4 并播放 fa 的中音數(shù)碼管顯示 5 并播放so 的中音數(shù)碼管顯示 6，并播放 la 的中音K16 鍵按下數(shù)碼管顯示 7，并播放 si 的中音數(shù)碼管顯示 A，并播放 do 的高音數(shù)碼管顯示 B，并播放 re 的高音數(shù)碼管顯示 C，并播放 mi 的高音數(shù)碼管顯示 D，并播放 fa 的高階高音圖 2-2 鍵盤(pán)子程序11 / 16 電路仿真

13、仿真圖介紹單片機(jī)：P0 口對(duì)應(yīng)數(shù)碼管編碼輸出端； P1.0 口做音樂(lè)信號(hào)輸出端； P2 口做鍵盤(pán)掃描部分輸入輸出端。鍵盤(pán)掃描：將 16 位開(kāi)關(guān)通過(guò)矩陣連接，接出來(lái)四端接輸入口（P0.4P0.7）用于鍵盤(pán)情況的輸入，另外四端接輸出口（P0.0P0.3）用于給鍵盤(pán)掃描信號(hào)。數(shù)碼管顯示：在使用時(shí)一要接上拉電阻（這是有單片機(jī) P0 口的物理特性決定的） ，二是要加限流電阻以使流進(jìn)單片機(jī)的小于單片機(jī)所能承受的電流。音樂(lè)處理：LM386 將單片機(jī) P1.0 口送過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行 20 倍的功率放大并送揚(yáng)聲器進(jìn)行音樂(lè)的播出。仿真圖12 / 16圖 3.1 仿真圖PCB 印制板制作印制板制作的要求（1）電源線、

14、地線應(yīng)各設(shè)置一條總線；（2）線寬盡可能的寬；13 / 16（3）應(yīng)減少軟線跳線的使用；（4）元器件排版要均勻，按模塊排版，防止各模塊信號(hào)干擾；（5）銅箔線不可以產(chǎn)生銳角。印制電路板圖圖 4-1 主控電路 PCB 板圖14 / 16圖 4-2 輸入按鍵電路 PCB 板圖15 / 164 系統(tǒng)調(diào)試電路調(diào)試是整個(gè)系統(tǒng)功能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟，我們將整個(gè)調(diào)試過(guò)程分為三大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和綜合調(diào)試。5.1 軟件仿真調(diào)試軟件仿真調(diào)試主要是針對(duì)單片機(jī)部分進(jìn)行調(diào)試。在軟件運(yùn)行前，先確保電路中連線正確，這一工作是整個(gè)調(diào)試工作的第一步，也是非常重要的一個(gè)步驟。在這部分調(diào)試中主要通過(guò)目測(cè)，用來(lái)完成檢測(cè)電路中是否

15、存在斷路或者短路情況等。在確保軟件仿真電路正常，無(wú)異常情況(斷路或短路)方可進(jìn)行軟件運(yùn)行，在本次設(shè)計(jì)中，軟件運(yùn)行主要是測(cè)試單片機(jī)鍵盤(pán)控制部分、數(shù)碼管點(diǎn)亮部分、和音頻功放電路調(diào)試。1、數(shù)碼管 LED 電路調(diào)試：軟件運(yùn)行，隨機(jī)按下按鈕可以看到數(shù)碼管顯示數(shù)字；2、單片機(jī)鍵盤(pán)控制部分調(diào)試：軟件運(yùn)行，隨機(jī)按動(dòng)鍵盤(pán)可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的音正確。5.2 軟件調(diào)試調(diào)試主要方法和技巧：通常一個(gè)調(diào)試程序應(yīng)該具備至少四種性能：跟蹤、斷點(diǎn)、查看變量、更改數(shù)值。整個(gè)程序是一個(gè)主程序調(diào)用各個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn)功能的過(guò)程，要使主程序和整個(gè)程序都能平穩(wěn)運(yùn)行，各個(gè)模塊的子程序的正確與平穩(wěn)運(yùn)行必不可少，所以在軟件調(diào)試的最初階段就是把各個(gè)子程序模塊進(jìn)行分別調(diào)試。5 總結(jié)通過(guò)各方面努力，本次畢業(yè)論文任務(wù)完成，系統(tǒng)部分功能已實(shí)現(xiàn)?？梢噪S意演奏一首喜歡的曲子，并可以顯示在數(shù)碼管上。基本達(dá)到預(yù)定的效果。畢業(yè)論文是專科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)踐相結(jié)合的機(jī)